Xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm nghiệm bền ủa máy bay nhỏ trong các chế độ bay có sử dụng mô đun vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ

Trang 1 1 PHẠM VŨ THỊNHBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Vũ Thịnh KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM BỀN CỦA MÁY BAY NHỎ TRONG CÁ

Trang 1

VẬT LIỆU COMPOSITE ĐỒNG NHẤT ĐA CẤP ĐỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI – NĂM 2018

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204843451000000

Trang 2

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Lê Thị Tuyết Nhung

HÀ NỘI – NĂM 2018

Trang 3

i

Mục lục

Lời cam đoan iv

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN vi

ABSTRACT OF THESIS vi

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt vii

Danh mục các bảng viii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị ix

MỞ ĐẦU xii

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY UAV VÀ MULTICOPTER 1

1.1 Tổng quan về máy bay không người lái UAV 1

1.1.1 Giới thiêu chung 1

1.1.2 Ưu nhược điểm của máy bay không người lái 1

1.1.3 Vai trò của máy bay không người lái 2

1.1.4 Phân loại 3

1.2 Tổng quan về UAV (Multicopter) 6

1.2.1 Lịch sử phát triển của Multicopter 6

1.2.2 Cấu tạo của Multicopter 8

1.2.3 Điều khiển bay 16

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN, THIẾT KẾ MULTICOPTER 21

2.1 Tính toán chọn thiết bị cho Multicopter 21

2.1.1 Tính toán sơ bộ khối lượng 21

2.1.2 Lựa chọn các thiết bị điện 21

2.2 Khung Multicopter 24

2.3 Phân tích mỏi trong kiểm bền UAV 25

2.3.1 Tuổi thọ mỏi của UAV 25

2.3.2 Phương pháp đánh giá tuổi thọ 26

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM KẾT CẤU 30

MULTICOPTER D130 X8 V2 U10 30

3.1 Xây dựng mô hình hình học của Multicopter 30

3.1.1 Thiết kế khung của Multicopter bằng phần mềm thiết kế Solid Works 30

Trang 4

ii

3.1.2 Thiết lập thông số vật liệu cho mô hình 31

3.2 Kiểm nghiệm độ bền kết cấu Multicopter D130 X8 V2 U10 34

3.2.1 Ta thiết lập thông số vật liệu cho mô hình 34

3.2.2 Chia lưới 34

3.2.3 Thực hiện mô phỏng trong trường hợp Multicopter bay treo 34

3.2.4 Thực hiện mô phỏng trong trường hợp Multicopter bay cất cánh 37

3.2.5 Thực hiện mô phỏng trường hợp Multicopter bay hạ cánh 40

3.2.6 Thực hiện mô phỏng trong trường hợp Multicopter bay tiến 43

3.3 Kết luận 47

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MODULE VẬT LIỆU COMPOSITE ĐỒNG NHẤT ĐA CẤP ĐỘ VÀO KIỂM NGHIỆM BỀN CỦA MULTICOPTER 48

4.1 Phương pháp mô hình hóa vật liệu Composite 48

4.1.1 Mô hình Direct Mori-Tanaka 48

4.1.2 Kết quả và biện luận 51

4.2 Áp dụng mô hình Mori-Tanaka vào kiểm nghiệm bền của Multicopter trong các chế độ bay 54

4.2.1 Ước đoán cơ tính vật liệu composite sử dụng mô hình Mori-Tanaka 54

4.2.2 Kết quả và biện luận 57

4.3 Tổng hợp kết quả và so sánh 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

1 Kết quả đạt được 73

2 Những hạn chế và hướng phát triển 73

3 Lời cảm ơn 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 76

1 Ma trận độ mềm cho một số loại vật liệu [10] 76

2 Ma trận Eshelby sử dụng cho mô hình Mori-Tanaka 76

Trang 5

iii

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Phạm Vũ Thịnh

Đề tài luận văn: Xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm nghiệm bền của máy

bay nhỏ trong các chế độ bay có sử dụng mô-đun vật liệu composite đồng nhất

- Rà soát, chỉnh sửa lại các lỗi trình bày, đánh dấu thứ tự các công thức

- Việt hóa một số hình ảnh

- Loại bỏ Chương 5: Kết luận và kiến nghị chuyển thành phần riêng, độc lập

- Chỉnh sửa, bổ sung thông tin cho chính xác

Giáo viên hướng dẫn

Ngày tháng năm 2018

Tác giả luận văn

Phạm Vũ Thịnh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS Vũ Đình Quý

Trang 6

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi – Phạm Vũ Thịnh, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí động lực khóa CLC2017B Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Lê Thị Tuyết Nhung – Viện Cơ khí động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả

Phạm Vũ Thịnh

Trang 7

v

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của luận văn Thạc sĩ và cho phép bảo vệ:

………

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Giảng viên hướng dẫn

Trang 8

vi

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Tóm tắt: Nhiệm vụ của luận văn này là thực hiện nghiên cứu quy trình phân tích độ

bền kết cấu của máy bay không người lái nhiều chong chóng mang bằng vật liệu composite trong các chế độ bay khác nhau Sau đó sử dụng module vật liệu đồng nhất đa cấp độ để tìm ra lựa chọn tối ưu cho vật liệu composite sử dụng Trọng tâm chính của luận văn là thực hiện mô phỏng kiểm bền kết cấu của máy bay không người lái nhiều chong chóng mang trong các chế

độ bay khác nhau sử dụng module Static Structure của phần mềm mô phỏng ANSYS Đồng thời xây dựng một chương trình dùng để dự đoán ứng xử của vật liệu composite dựa trên mô hình đồng nhất đa cấp độ từ đó thu được thông số đầu vào về cơ tính vật liệu cho bài toán mô phỏng kiểm bền giúp bước đầu tìm ra lựa chọn sơ bộ cho tối ưu hóa vật liệu composite sử dụng Mô hình được sử dụng trong đề tài là mô hình Mori-Tanaka, mô hình này cho phép dự đoán ứng xử của vật liệu composite có tính đến hướng sợi bất kì Việc thực hiện kiểm bền bằng phương pháp mô phỏng giúp tiết được rất nhiều thời gian và chi phí so với các phương pháp thử nghiệm truyền thống Sử dụng chương trình tính toán cơ tính vật liệu có thể giúp dự đoán ứng xử của nhiều loại vật liệu, giảm thời gian cũng như chí phí làm thực nghiệm giúp có những lựa chọn sơ bộ nhanh chóng cho tối ưu hóa vật liệu

Từ khóa: UAV, Structural strength test, Mori-Tanaka method, Python

ABSTRACT OF THESIS

Abstract: This thesis aimed to study the procedure for analyzing the structural strength

of the Multicopter UAV (Unmanned Aerial Vehicle) at different flight modes While using the Multi-scale homogenization method for initial material optimization This thesis concentrated

on doing simulation for analyzing the structural strength of the UAV at different flight modes using Module Static Structure of the software ANSYS After that, building a program to predict the mechanical behavior of the composite material The method used in this thesis is the Mori-Tanaka method This method allows to predict the mechanical behavior of the composite material including the random fiber orientation type By using simulation software for analyzing the structural strength helps decreasing time and costs for doing experimental Using the program for calculate the mechanical behavior of the composite also helps decreasing time and cost for doing experimental and helps us have the initial decide for material optimization

Keywords: UAV, Structural strength test, Mori-Tanaka method, Python

Trang 9

vii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

UAV: Unmanned Aerial Vehicle

UAS: Unmanned Aerial System

UAVS: Unmanned Aerial Vehicle System

AM: Amplitude modulation

FM: Frequency modulation

PDB: Power Distribution Board

TX: Transmitter

PX: Receiver

PWM: Pulse – width modulation

PPM: Pulse – duration modulation

S.BUS: System b

Trang 10

viii

Danh mục các bảng

Bảng 1: Các thông số thiết kế của động cơ 22

Bảng 2: Thông số thực nghiệm của động cơ T-MOTOR U10 KV100 22

Bảng 3: Bộ điều tốc T-MOTOR Flame 80A 24

Bảng 4: Thông số pin 6S Lipo 24

Bảng 5: Thông số của vật liệu composite sợi carbon [7] 24

Bảng 6: Tổng hợp tỉ lệ ứng suất các trường hợp 29

Bảng 7: Kết quả của 4 chế độ bay 47

Bảng 8 So sánh kết quả mô hình với thực nghiệm với vật liệu Composite Glass/Epoxy 52

Bảng 9 So sánh kết quả mô hình với thực nghiệm với vật liệu Composite Graphit/Epoxy 53

Bảng 10: Kết quả cơ tính vật liệu composite Glass/Epoxy 45%, sợi đơn hướng 55

Kết quả thu được: 55

Bảng 11: Kết quả cơ tính vật liệu composite Graphite/Epoxy 30%, sợi nhị hướng 56

Kết quả thu được: 57

Bảng 12: Kết quả cơ tính vật liệu composite Graphite/Epoxy 30%, sợi tam hướng 57

Bảng 13: Tổng hợp kết quả kiểm bền Multicopter với các vật liệu khác nhau 71

Trang 11

ix

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1: Mẫu UAV trinh sát VT-Patrol của Viettel 4

Hình 2: Máy bay 8 cánh quạt D130 X8 V2 U10 [5] 6

Hình 3: Breguet-Richet [4] 7

Hình 4: Chiếc Oemichen số 2 (1960) [6] 7

Hình 5: Multicopter Convertawing (1956) [6] 8

Hình 6: Hai cách bố trí cánh quạt trên khung Multicopter 9

Hình 7: Chuyển động của dòng khí qua cánh máy bay 10

Hình 8: Cánh quạt làm bằng sợi Carbon 10

Hình 9: Động cơ một chiều không chổi than [5] 11

Hình 10: Bộ điều tốc ESC [5] 12

Hình 11: Pin Lipo [5] 13

Hình 12: Bộ điều khiển bay [5] 14

Hình 13: Hai hệ trục tọa độ xác định vị trí Multicopter 16

Hình 14: Bố trí động cơ và góc quay trong Multicopter 17

Hình 15: Phân bố lực khi Multicopter cất cánh 19

Hình 16: Phân bố lực trên Multicopter khi bay tiến 20

Hình 17: Động cơ T-Motor U10 KV100 [5] 22

Hình 18: Supreme C/F Propeller 2880 pro [5] 23

Hình 19: T-MOTOR Flame 80A ESC [5] 23

Hình 20: Đồ thị đường cong mỏi S-N 27

Hình 21: Đồ thị đường cong mỏi S-N của vật liệu Composite F584 [8] 27

Hình 22: Đồ thị các trạng thái ứng suất 28

Hình 23: Mô hình hoàn chỉnh Multicopter D130 X8 V2 U10 30

Hình 24: Thiết lập thông số cho vật liệu composite sợi carbon 32

Hình 25: Thiết lập thông số mỏi cho vật liệu composite F584 33

Hình 26: Thiết lập thông số mỏi cho vật liệu composite F584 33

Hình 27: Mô hình Multicopter D130 X8 V2 U10 sau khi chia lưới 34

Hình 28: Sơ đồ tính lực Multicopter 35

Hình 29: Các điều kiện biên và đặt lực 36

Trang 12

x

Hình 30: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay treo 36

Hình 31: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay treo 37

Hình 32: Hệ số tiêu chuẩn phá hủy trong trường hợp bay treo 37

Hình 33: Lực và điều kiện biên cho Multicopter trong trường hợp cất cánh 38

Hình 34: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay cất cánh 39

Hình 35: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay cất cánh 40

Hình 36: Hệ số tiêu chuẩn phá hủy trong trường hợp bay cất cánh 40

Hình 37: Đặt lực và điều kiện biên trong trường hợp bay hạ cánh 41

Hình 38: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay hạ cánh 42

Hình 39: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay hạ cánh 43

Hình 40: Hệ số tiêu chuẩn phá hủy trong trường hợp bay hạ cánh 43

Hình 41: Sơ đồ đặt lực Multicopter 44

Hình 42: Đặt lực và điều kiện biên trong trường hợp bay tịnh tiến 45

Hình 43: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến 45

Hình 44: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến 46

Hình 45: Hệ số tiêu chuẩn phá hủy trong trường hợp bay tịnh tiến 46

Hình 46: Sơ đồ khối mô hình hóa composite bằng mô hình Mori-Tanaka 48

Hình 47: Minh họa hệ trục các hướng sợi phần tử composite 49

Hình 48: Giao diện chương trình Module Mori-Tanaka 51

Hình 49: Kết quả mô hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Glass/Epoxy 52

Hình 50: Kết quả mô hình Mori-Tanaka cho vật liệu Graphit/Epoxy 53

Hình 51: Kết quả mô hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Glass/Epoxy 55

Hình 52: Kết quả mô hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Graphite/Epoxy 56

Hình 53: Kết quả mô hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Graphite/Epoxy 57

Trang 13

xi

Trang 14

xii

MỞ ĐẦU

Khởi đầu UAV (thiết bị bay không người lái) được phát triển để phục vụ cho lĩnh vực quân sự, nhưng ngày nay các ứng dụng của UAV trong lĩnh vực dân dụng đang được quan tâm và phát triển với tốc độ đáng kể Nhờ các tính năng ưu việt của mình như có khả năng hoạt động ở những nơi mà con người khó tiếp cận UAV có thể được sử dụng để quan sát, theo dõi từ trên cao, hỗ trợ vẽ bản đồ, khảo sát địa hình, kiểm tra môi trường, phục vụ làm phim Bởi các lợi ích trên, việc nghiên cứu một mô hình UAV với đặc tính ổn định, dễ dàng điều khiển đang nhận được rất nhiều sự chú ý trong việc nghiên cứu, chế tạo

Nhờ vào đặc tính có cơ tính tốt, độ bền cao nhưng lại nhẹ của vật liệu composite, việc sử dụng vật liệu composite vào chế tạo kết cấu khung UAV đang được

áp dụng ngày càng rộng rãi Việc xác định cơ tính của vật liệu composite là vô cùng quan trọng nhằm lựa chọn được vật liệu tối ưu Các nhà sản xuất thường sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định cơ tính của vật liệu Tuy nhiên phương pháp này rất tốn kém thời gian và tiền bạc Để loại bỏ các hạn chế trên, việc sử dụng mô hình tính toán đồng nhất, đa cấp độ của Mori-Tanaka cho phép ta ước tính được cơ tính của composite sợi đơn hướng và sợi ngắn, hướng bất kỳ từ cơ tính và thành phần của nền

và sợi giảm thời gian chi phí cần thiết cho việc thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu, thiết kế truyền thống thường gặp phải nhiều khó khăn

về thời gian, chi phí lớn do phải chế tạo và thử nghiệm nhiều lần Ngày nay, với sự hỗ trợ của các công cụ là các phần mềm mô phỏng tính toán kết cấu như ANSYS, ABAQUS đã giúp làm giảm chi phí, đẩy nhanh quá trình thiết kế, chế tạo và kiểm nghiệm kết cấu Cùng với việc kết hợp sử dụng mô đun vật liệu composite đồng nhất

đa cấp độ để tính toán cơ tính vật liệu composite nhằm cung cấp các thông số về cơ tính vật liệu như một thông số đầu vào cho bài toán kiểm bền từ đó giúp tối ưu hóa lựa chọn vật liệu

Trang 15

xiii

Luận văn là một nội dung nghiên cứu của đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế và tích hợp hệ thống khảo sát địa hình trong xây dựng dựa trên công nghệ chụp ảnh, quét laser, GPS/GNSS và UAV” Mã số: ĐTĐL.CN-54/16 Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện

cơ khí Động lực, Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ, và đặc biệt là người hướng dẫn TS Lê Thị Tuyết Nhung đã hướng dẫn, tạo điều kiện để học viên hoàn thành đề tài Tác giả rất mong nhận được những nhận xét thẳng thắn từ các thầy cô để có thêm những kinh nghiệm, kiến thức phục vụ cho công việc trực tiếp

Trang 16

1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY UAV VÀ MULTICOPTER 1.1 Tổng quan về máy bay không người lái UAV

1.1.1 Giới thiệu chung

UAV viết tắt từ cụm từ “Unmanned Aerial Vehicle” nghĩa là “Phương tiện bay không người lái” Theo đúng như tên gọi của mình, trên UAV hoàn toàn không có phi công lái UAV có thể được điều khiển từ xa (bởi một phi công ngồi tại một trạm điều khiển trên mặt đất) hoặc cũng có thể tự bay theo các lịch trình đã được lập trình sẵn, hoặc theo sự điều khiển của các hệ thống máy tính phức tạp

UAV đôi khi cũng được dùng để chỉ các hệ thống UAVS (Unmanned Aerial Vehicle System – Hệ thống phương tiện bay không người lái) hoặc UAS (Unmanned Aerial System - Hệ thống máy bay không người lái) Ủy ban Quản lý Hàng không Liên bang Hoa Kỳ (FAA) đang sử dụng cụng từ UAS để nhấn mạnh rằng các hệ thống này không chỉ bao gồm máy bay mà còn bao gồm cả trạm kiểm soát trên mặt đất và một số thiết bị, yếu tố khác

UAV thường được trang bị các thiết bị thông tin, camera, các loại cảm biến, vũ khí nhằm thực hiện các chức năng khác nhau cho cả mục đích quân sự và các lĩnh vực dân sự UAV có giá từ vài nghìn USD cho tới hàng chục triệu USD, và các loại UAV có cân nặng từ dưới 1Kg cho tới hơn 18 tấn

1.1.2 Ưu nhược điểm của máy bay không người lái

1.1.2.1 Ưu điểm

- Tính an toàn cao

- Yêu cầu về trình độ đào tạo của người vận hành thấp

- Giảm thiểu thiệt hại nếu có tai nạn xảy ra

- Không yêu cầu đường băng cất hạ cánh lớn

- Có thể sử dụng ở nhiều dạng địa hình

- Thời gian chuẩn bị đến khi đưa vào sử dụng ngắn

Trang 17

2

- Chi phí trang bị, sử dụng, bảo dưỡng thấp

- Tiện lợi, nhỏ gọn, dễ dàng vận chuyển, cất trữ

1.1.2.2 Nhược điểm

- Công nghệ tự động, điều khiển còn có nhiều hạn chế

- Việc sử dụng bị quản lý chặt chẽ ở nhiều nơi

1.1.3 Vai trò của máy bay không người lái

1.1.3.1 Vai trò quân sự

Vai trò quân sự của UAV đang phát triển với một tốc độ chóng mặt Năm 2005, các thiết bị UAV ở mức độ chiến thuật và mức độ vùng chiến tranh đã có tổng cộng 100.000 giờ bay trong các chiến dịch ENDURING FREEDOM (OEF – chiến dịch giải phóng Afghanistan) và IRAQI FREEDOM (OIF – chiến dịch giải phóng Iraq) Sự phát triển chóng mặt của công nghệ giúp cho các thiết bị nhỏ ngày càng có thể đảm nhiệm nhiều chức vụ hơn, kết quả là các hệ thống UAV ngày càng có mặt nhiều trên chiến trường

Việc sử dụng UAV là một chiến lược mới tới mức Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thậm chí còn chưa đưa ra được quy trình theo dõi nhiệm vụ để theo dõi hoạt động của các mẫu UAV Khi khả năng của các mẫu UAV tăng lên, các quốc gia trên thế giới tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu của mình: các thành tựu trong việc nghiên cứu và phát triển khiến cho vai trò của UAV không chỉ dừng lại ở tình báo, do thám và theo dõi – các vai trò truyền thống của chúng

UAV hiện nay đã có thể đảm nhiệm tấn công điện tử, tiến hành tấn công bằng bom và tên lửa, tiến hành phá hủy hoặc ngăn chặn các hệ thống phòng không, các mắt xích hoặc toàn bộ hệ thống liên lạc của đối thủ, cũng như tiến hành các nhiệm vụ tìm kiếm và giải cứu (CSAR)

1.1.3.2 Vai trò dân sự

Trang 18

3

Ngoài khả năng phục vụ cho quân đội, máy bay không người lái còn chứng minh được khả năng ứng dụng trong cuộc sống khác như chăn gia súc, vận chuyển hàng hóa, hướng dẫn viên, khảo cổ và thậm chí đảm nhiệm cả vai trò gián điệp

Trong hoạt động nông nghiệp, các thiết bị không người lái có thể ghi lại hình ảnh của những cánh đồng từ trên cao, nhờ đó nông dân có thể xác định và phát hiện các vấn đề mà họ không thể nhìn thấy trực tiếp bằng cách đi bộ xung quanh để kiểm tra khắp cánh đồng Ngoài ra, máy bay không người lái còn được sử dụng như những máy móc phục vụ nông nghiệp như máy bay phun thuốc trừ sâu,

Máy bay không người lái được sử dụng để hỗ trợ các công tác khảo cổ học với nhiệm vụ thiết lập bản đồ địa điểm khảo cổ và bảo vệ những khu vực này khỏi sự xâm chiếm hoặc phá hoại bởi các nguyên nhân chủ quan và khách quan khác nhau

Hệ thống kiểm tra cháy rừng bằng máy bay không người lái do các nhà khoa học phát triển cho phép kiểm soát các vụ cháy rừng ở các khu rừng trên khắp thế giới

Máy bay không người lái còn được sử dụng để khảo sát địa hình Nhờ những thiết bị chuyên dụng của hệ thống LiDAR mà người khảo sát có thể có những thông số cần thiết về địa hình đang khảo sát

Theo ước tính của một nghiên cứu, thị trường toàn cầu của các phương tiện máy bay không người lái (UAV) đạt 89 tỷ USD trong năm 2013

1.1.4 Phân loại

Máy bay không người lái có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, mỗi loại đều

có những ưu điểm và nhược điểm riêng Do đó tùy từng công việc cụ thể mà người sử dụng lựa chọn loại máy bay phù hợp

UAV được chia ra làm hai loại chính theo cấu tạo là máy bay cố định (Fixed Wing UAV) và máy bay cánh quay (Rotary Wing UAV)

1.1.4.1 Máy bay cánh bằng cố định

Trang 19

4

Máy bay cánh cố định là loại máy bay có bề mặt tạo lực nâng được gắn cố định vào thân và không có sự chuyển động trong suốt quá trình hoạt động Lực tạo ra để nâng máy bay chủ yếu là lực khí động tạo ra do sự chênh lệch áp suất ở bề mặt trên và dưới của cánh chính khi có dòng khí chảy qua bề mặt cánh Do đó, máy bay cần nguồn động lực để đẩy máy bay tiến về phía trước (động cơ điện, động cơ piston, tua-bin khí ) Máy bay cánh cố định là dạng máy bay được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

Hình 1: Mẫu UAV trinh sát VT-Patrol của Viettel Máy bay cánh cố định có cấu trúc đơn giản hơn so với loại cánh quay, do đó quy trình bảo trì và sửa chữa đơn giản hơn Quan trọng hơn là cấu trúc đơn giản sẽ đảm bảo tính khí động học hiệu quả hơn dẫn đến thời gian chuyển động bay dài hơn ở tốc

độ cao, do đó cho phép chúng hoạt động ở khu vực khảo sát lơn hơn trên mỗi chuyến bay nhất định

Nhược điểm của máy bay cánh bằng cố định là sự cần thiết phải bố trí đường bay hay bệ phóng để hỗ trợ cất cánh và hạ cánh Bên cạnh đó giá thành cao cũng là một nhược điểm của loại máy bay cánh cố định

Trang 20

5

1.1.4.2 Máy bay cánh quay

Máy bay cánh quay có tối thiểu 01 cánh quạt (trực thăng), 03 cánh quạt (Tricopter), 04 cánh quạt (Quadrotor), 06 cánh quạt (Hexacopter), 08 cánh quạt (Octocopter) cũng như các thiết kế khác thường hơn như 12 và 16 cánh quạt

Nguyên lý bay của máy bay cánh quay là sự phối hợp của các cánh quạt quay tạo ra lực nâng nâng máy bay lên thẳng hoặc di chuyển theo hướng bất kỳ

Lợi thế lớn nhất của UAV cánh quay là khả năng cất cánh và hạ cánh theo chiều thẳng đứng và rất cơ động trong quá trình bay Điều này cho phép người dùng hoạt động động ở những địa hình chật hẹp mà không cần bố trí đường băng cất cánh, hạ cánh như loại cánh bằng, cũng như có thể thay đổi độ cao và chuyển hướng bay một cách dễ dàng Khả năng bay tại chỗ và khả năng bay cơ động làm cho UAV cánh quay rất phù hợp với công tác bay chụp ở địa hình phức tạp và chật hẹp

Máy bay cánh quay có cấu tạo liên quan đến cơ khí và điện tử phức tạp do đó yêu cầu quá trình bảo trì và sửa chữa phức tạp hơn so với máy bay cánh cố định Do tốc độ và thời gian bay thấp hơn nên sẽ phải bay nhiều chuyến bay hơn so với bay cánh

cố định Công suất của động cơ phần lớn dùng để nâng máy bay, phần còn lại để điều khiển máy bay Do đó, máy bay luôn phải tiêu tốn một lượng lớn năng lượng cho việc duy trì lực nâng, điều này làm cho máy bay bị hạn chế về khối lượng tải trọng mang theo

Trang 21

6

Hình 2: Máy bay 8 cánh quạt D130 X8 V2 U10 [5]

1.2 Tổng quan về UAV (Multicopter)

UAV (Multicopter) là loại máy bay không người lái cánh quay được nâng lên và đẩy bởi bốn cánh tay gồm 4 hoặc 8 cánh quạt Thiết bị bay này là sự kết hợp của UAV

và mô hình máy bay lên thẳng

1.2.1 Lịch sử phát triển của Multicopter

Mô hình máy bay dạng Multicopter được thiết kế, chế tạo đầu tiên vào năm

1907 Đó là chiếc Breguet-Richet (Hình 3) Mặc dù trong chuyến bay thử nghiệm, nó chỉ bay được tầm 1 – 2m

Trang 23

8

Hình 5: Multicopter Convertawing (1956) [6]

Curtiss-Wright VZ-7 (Hình 5): Được thiết kế bởi công ty quân đội Mỹ VZ-7 được điều khiển bởi 4 cánh quạt Tuy nhiên nó cũng bị ngừng phát triển do không đáp ứng được các nhu cầu quân sự

Điểm chung của Multicopter thời kỳ đầu là những mẫu máy bay trực thăng có người lái Ở thời điểm ban đầu này Multicopter được xem như là giải pháp cho một số vấn đề bay thẳng đứng Các vấn đề kiểm soát lực xoắn có thể được loại bỏ bằng cách xoay vòng và làm làm ngắn các cánh quạt Tuy nhiên chúng đều thất bại do độ ổn định kém và quyền kiểm soát bị hạn chế Vì thế mà tính khả thi trong các mẫu đầu tiên bị đánh giá rất thấp đòi hỏi ở mẫu thứ hai phải có nhiều thí điểm hơn nữa

Vào cuối những năm 2000, những tiến bộ về thiết bị điện tử cho phép sản xuất các bộ điều khiển từ xa giá rẻ, hệ thống định vị toàn cầu và máy ảnh Điều này dẫn đến

sự gia tăng nhanh chóng của các Multicopter tiêu dùng nhỏ, rẻ tiền cùng với các thiết

kế nhiều rotor khác Cùng với đó là sự phát triển rất nhanh của các mô hình máy bay điều khiển từ xa Sự cần thiết, có một máy bay có khả năng cơ động cao cũng như khả năng ổn định, nên Multicopter điều khiển từ xa được đẩy mạnh nghiên cứu phát triển Với thiết kế nhỏ gọn, khả năng bền bỉ, các thiết bị Multicopter điều khiển từ xa được thương mại hóa và ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống

Ngày nay khi nhắc đến Multicopter người ta đều nghĩ ngay đến một thiết bị bay không người lái với bốn chong chóng mang

1.2.2 Cấu tạo của Multicopter

1.2.2.1 Khung máy bay

Khung của máy bay được làm bằng hợp kim nhôm, kẽm, hoặc composite sợi cacbon Kích thước và hình dạng của khung phụ thuộc vào kích thước cũng như cách phân bố cánh quạt Multicopter có các loại phân bố cánh quạt theo hình dấu cộng (+)

và hình dấu nhân (×)

Trang 25

10

Hình 7: Chuyển động của dòng khí qua cánh máy bay Cánh quạt được phân loại dựa trên đường kính và pitch cánh của chúng và được thể hiện dưới dạng sản phẩm có đường kính và pitch cánh Ví dụ: 10 x 4,7; 10 x 4,5; vv…(Hình 8) Đường kính của cánh quạt cho thấy vòng tròn ảo mà các cánh quạt tạo

ra trong khi pitch cánh thể hiện độ kéo của cánh tức là quãng đường của cánh đi được nếu như xoay đủ một vòng Để chống lại mô-men xoắn, Multicopter yêu cầu hai cánh quạt xoay cùng chiều và hai cánh quạt quay ngược chiều kim đồng hồ

Hình 8: Cánh quạt làm bằng sợi Carbon

Trang 26

11

Tất cả các cánh quạt được sử dụng trong một Multicopter có cùng một đường kính và độ chúc ngóc Nhiều động cơ có đặc điểm kỹ thuật cánh quạt để có mức tiêu thụ năng lượng tối ưu Nếu đặc điểm kỹ thuật cánh quạt không được đề cập trên động

cơ khi đó chúng ta phải sử dụng thử nghiệm và phương pháp sai số

1.2.2.3 Động cơ

Động cơ được sử dụng chủ yếu trong Multicopter là động cơ một chiều không chổi than Brushless (Hình 9) Những động cơ này bao gồm một nam châm vĩnh cửu quay quanh một lõi sắt cố định Kích thước cũng như khối lượng nhỏ hơn so với loại dùng chổi than có cùng công suất

Hình 9: Động cơ một chiều không chổi than [5]

Lực đẩy của động cơ là thông số dựa trên tổng lực đẩy mà motor có thể tạo ra khi lắp cánh quạt và hoạt động ở mức hiệu điện thế bình thường Đơn vị của lực đẩy là

kg Lực đẩy của motor sẽ được xác định bằng tổng lực nâng của cặp motor-cánh quạt đó.Các động cơ trên Multicopter nên được lựa chọn theo mối quan hệ giữa lực đẩy và trọng lượng như sau: Tỷ số = Tổng lực đẩy / trọng lượng = ma/mg = a/g Như vậy, cất cánh thẳng đứng và hạ cánh thẳng đứng chỉ có thể khi, (a/g)> 1 hoặc nói cách khác, tỷ

số tổng lực đẩy trên tổng trọng lượng phải lớn hơn 1 để Multicopter có thể tăng tốc theo hướng đi lên

Trang 27

12

Dòng điện tiêu thụ bao gồm dòng bình thường và dòng burst Dòng bình thường

là dòng điện motor tiêu thụ trong khi đang hoạt động ở chế độ bình thường Còn dòng burst là dòng điện tối đa motor có thể chịu được trong khoảng thời gian nhất định

Số vòng quay của motor được kí hiệu là RPM, thông số này cho biết số vòng quay của motor trong 1 phút, khi được cấp 1 volt điện thế

Khối lượng và kích thước của động cơ là hai thông số tương đối quan trọng trong quá trình lựa chọn động cơ nhằm đảm bảo khối lượng là nhỏ nhất trong khi vẫn đảm bảo đủ lực nâng Kích thước cũng như khối lượng của động cơ một chiều không chổi than nhỏ hơn so với loại dùng chổi than có cùng công suất Hiệu suất và độ bền cao cao hơn Tuy nhiên khó gia công và chế tạo nên giá thành cao

1.2.2.4 Bộ điều tốc điện tử ESC

Hình 10: Bộ điều tốc ESC [5]

Mỗi loại ESC có mức hiệu điện thế sử dụng khác nhau, từ đó xác định loại pin cần dùng

Trang 28

Pin Lipo có hiệu điện thế danh định là 3,7volt/cell Để nâng hiệu điện thế và dòng điện của pin Lipo, các cell pin có thể được mắc nối tiếp (kí hiệu là S) hoặc song song (kí hiệu là P)

Dung lượng pin được tính bằng đơn vị mAh Dung lượng pin tỉ lệ thuận với thời gian sử dụng và tỉ lệ nghịch với khối lượng

Chỉ số C cho biết khả năng xả dòng của pin Khi phóng điện ở mức bình thường (constant current), dòng điện mà pin phóng ra được tính theo công thức = Dung lượng pin × chỉ số C Khi phóng điện ở mức tối đa (burst current): dòng điện tối đa mà pin có thể phóng ra = chỉ số C tối đa × dung lượng pin

Trang 29

Hình 12: Bộ điều khiển bay [5]

Tất cả các loại bộ điều khiển bay đều sử dụng nguồn điện áp 5V, do đó, trong khi sử dụng cần duy trì điện áp ở mức 5V Một số bộ điều khiển có tích hợp thiết bị biến đổi nguồn từ pin thành nguồn 5V, một số khác không có, do vậy, cần có thêm thiết bị hỗ trợ riêng

1.2.2.7 Bộ phân phối điện

Trang 30

15

Bộ phân phối điện (Power Distribution Board (PDB)) có chức năng biến đổi nguồn điện từ pin thành các nguồn điện 5V hoặc 12V cung cấp cho các thiết bị trên máy bay PDB có 2 loại chính: một cho phép điều chỉnh điện áp và một loại có dòng điện áp cố định

1.2.2.9 Bộ thu tín hiệu Receiver (RX)

RX có nhiệm vụ thu sóng radio phát ra từ TX và truyền tới bộ điều khiển bay, hoặc truyền thẳng tới servo RX và TX hoạt động cùng tần số

Các cách thức giao tiếp giữa RX và Flightcontroller:

- Giao thức bằng xung PWM: Mỗi kênh điều khiển được kết nối bằng một dây cáp riêng, tín hiệu điều khiển biểu hiện bằng trạng thái mức cao-thấp của biên độ xung (tín hiệu analog) Khi sử dụng xung PWM có thể không cần dùng tới bộ điều khiển bay để chuyển đổi các tín hiệu thu được từ RX thành tín hiệu điều khiển Giao thức này thích hợp với UAV cánh cố định

- Giao thức bằng xung PPM: Các tín hiệu điều khiển dưới dạng analog sẽ được truyền tải trên một đường truyền duy nhất, và tín hiệu của các kênh

Trang 31

16

được sắp xếp theo thứ tự nhất định Bộ điều khiển bay sẽ đọc tín hiệu nhận được theo thứ tự và sau đó đọc độ rộng xung để thiết lập giá trị cho các kênh

- Giao thức S.BUS: Sử dụng truyền tải tín hiệu bằng phương pháp số hóa, tất

cả các tín hiệu mã hóa đều được truyền chung trên một cáp nối Giao thức này cho phép gửi thông tin một cách nhanh chóng và giảm thiểu độ trễ, cũng như sự sai lệch trong tín hiệu điện S.BUS thích hợp với các mô hình đòi hỏi

độ chính xác và an toàn cao

1.2.3 Điều khiển bay

1.2.3.1 Hai hệ tọa độ của Multicopter

Để mô tả chuyển động của Multicopter có 6 bậc tự do ta dùng hai hệ quy chiếu tương đương hai hệ trục tọa độ là trục gắn thân và trục quán tính Chỉ xét khung Multicopter bố trí động cơ theo dạng chữ (X) Trục quán tính gắn với trái đất lực hấp dẫn hướng theo chiều âm của trục z Hệ trục gắn thân gắn với được xác định bởi khung thân Multicopter Trục z vuông góc với về mặt khung và các trục x,y nằm trên các cánh tay của khung như hình vẽ Hình 13

Hình 13: Hai hệ trục tọa độ xác định vị trí Multicopter

Trang 32

1.2.3.2 Lực và momen trong chuyển động của Multicopter

Hình 14: Bố trí động cơ và góc quay trong Multicopter Xét một Multicopter với sự bố trí động cơ như hình vẽ (Hình 14) Ngoài chịu tác dụng của các lực nâng từ động cơ, trọng lực của bản thân máy bay còn phải chịu các momen do các lực nâng sinh ra tùy thuộc vào trạng thái bay

Trọng lực của Multicopter có khối lượng m là: P = m.g (N)

Lực nâng Fi do các động cơ sinh ra: Fi= Kf.ωi2

Trong đó:

Mi: Các momen xoắn (N.m)

Trang 33

18

Km: Hệ số momen xoắn Momen quay sinh ra do lực nâng với L là khoảng cách từ tâm động cơ đến tâm Multicopter

MPitch = (-F1- F2+ F3+ F4).L

MRoll = (F1+ F4- F2- F3).L

Định luật II Newton trong chuyển động: Trong chuyển động tịnh tiến tổng lực tác dụng vào vật ƩF = m.a (m là khối lượng vật thể, a là gia tốc)

1.2.3.3 Điều kiện bay treo

Điều kiện để máy bay có thể duy trì trạng thái cân bằng ở trên một độ cao nhất định là lực nâng do các động cơ sinh ra phải bằng nhau và có tổng hợp lực cân bằng với trọng lực của máy bay đồng nghĩa với việc tổng momen tác dụng lên máy bay cũng cân bằng với nhau Ta có điều kiện bay treo:

Điều kiện cất cánh:

F1 + F2+ F3+ F4= 4Fi > ƩP (trường hợp hạ cánh thì thay “ > ” bằng “ < ”)

ƩMi = MPitch = MRoll = 0

Trang 34

19

Hình 15: Phân bố lực khi Multicopter cất cánh

1.2.3.5 Điều kiện chuyển động tiến, lùi và di chuyển trái, phải

Khi máy bay đang ở trạng thái bay treo, tăng tốc độ vòng quay tức tăng lực đẩy của cặp động cơ phía sau tổng momen xoay do cặp động cơ này sinh ra sẽ lớn hơn cặp phía trước Sự chênh lệch momen này làm cho máy bay nghiêng về phía trước một góc Pitch so với phương ngang Do đó phương lực đẩy do động cơ sinh ra cũng sẽ nghiêng

về phía trước hợp với phương trọng lực một góc bằng góc Pitch Lúc này thành phần lực đẩy theo phương nằm ngang sẽ đẩy máy bay di chuyển về phía trước, còn thành phần thẳng đứng sẽ cân bằng với trọng lực đảm bảo độ cao của máy bay trong quá trình di chuyển là không đổi Chuyển động lùi về sau sẽ ngược lại với chuyển động tiến Khi đó thay vì tăng lực nâng của cặp phía sau ta tăng lực nâng cặp phía trước Điều kiện bay tiến về phía trước:

ra khi tăng tốc độ vòng quay của cặp động cơ phải hoặc trái

Trang 35

20

Hình 16: Phân bố lực trên Multicopter khi bay tiến

1.2.3.6 Điều khiển bay

Dựa vào các điều kiện bay đã phân tích dựa trên lực nâng và momen trong quá trình bay ở những phần trên, người điều khiển Multicopter có thể điều khiển Multicopter bay theo một quỹ đạo mong muốn dựa vào việc tăng hoặc giảm tốc độ quay của động cơ sao cho phù hợp

Trang 36

21

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN, THIẾT KẾ MULTICOPTER 2.1 Tính toán chọn thiết bị cho Multicopter

2.1.1 Tính toán sơ bộ khối lượng

Mục tiêu thiết kế một Multicopter cỡ lớn mang tải khoảng 8Kg Ta ước tính khối lượng các thiết bị như sau:

- Động cơ: 400g/1 động cơ: Ʃmđc = 8×400 =3 200g

- Cánh quạt: 90g/1 cánh quạt: Ʃmcq = 8×90 =720g

- ESC: 106g/1 ESC: ƩmESC=8×106 =848g

- 2 pin Lipo 2490g /1 pin: ƩmPin=2x2490=4 980g

- Khung máy bay 2600g (đã bao gồm càng)

- Khối lượng tải 8000g

Ước tính khối lượng sơ bộ là: m=3200+656+848 +4980+2600+8000 = 20348 g Vậy lực nâng yêu cầu trên mỗi động cơ là: 20384/8 = 2543.5 g

2.1.2 Lựa chọn các thiết bị điện

a) Động cơ

Để chọn được động cơ phù hợp ta cần xem xét tất cả các thông số của nhà sản suất đưa ra So sánh và đối chiếu với thông số đã tính toán sơ bộ ban đầu Với yêu cầu lực nâng để Multicopter có thể nâng được tải 8kg cùng các thiết bị điện và trọng lượng của khung ta chọn động cơ T-MOTOR U10 KV100 (Hình 17)

Trang 37

22

Hình 17: Động cơ T-Motor U10 KV100 [5]

Bảng 1: Các thông số thiết kế của động cơ

Thực hiện kiểm nghiệm động cơ T-MOTOR U10 KV100 kết hợp với cánh quạt 27x8.8CF với các thông số thực nghiệm nhà sản suất đưa ra bảng trong hình 2.3 Trong bảng thấy được các thông số như lực đẩy, số vòng quay, công suất … ở các mức ga tương ứng Ở mức 50% ga động cơ sẽ quay 2100 vòng /phút tạo ra lực nâng 2610g lớn hơn mức ga yêu cầu cho mỗi động cơ đã tính toán trước đó là 2543.5g Vậy lực chọn động cơ T-MOTOR U10 KV100 là hoàn toàn phù hợp cho thiết kế

Bảng 2: Thông số thực nghiệm của động cơ T-MOTOR U10 KV100

Công suất

Lực đẩy

Vòng quay

50% 4.7 208.68 2610 2100

50

75% 12.2 541.68 5090 2880 85% 15.5 688.2 6060 3160 100% 21.8 967.92 7400 3450

Trang 39

Chọn Pin 6S Lipo Battery có khối lượng 2490g, 22000mah, 448wh

Bảng 4: Thông số pin 6S Lipo

Vậy tổng khối lượng đồ điện là 400x8 + 90x8 + 106x8 + 2490x2 + 200 = 9948g

2.2 Khung Multicopter

Chọn vật liệu làm khung Multicopter D130 X8 V2 U10 là composite sợi carbon Composite sợi carbon là loại vật liệu nhẹ, bền thích hợp để làm khung Khung bao gồm hai tấm thân chính, bốn cánh tay và hai càng Thông số của composite sợi carbon F584

Bảng 5: Thông số của vật liệu composite sợi carbon [7]

Ký hiệu Thông số

Trang 40

2.3 Phân tích mỏi trong kiểm bền UAV

2.3.1 Tuổi thọ mỏi của UAV

Giống như tất cả các loại thiết bị khác, UAV hoạt động cũng chịu tác động của tải trọng mỏi Mỗi lần cất và hạ cánh được coi như là một vòng tải, còn gọi là chu kì mỏi Mỗi một chu kì này gây ra một sự hư hỏng nhất định, kết quả là làm giảm vòng đời hoạt động các bộ phận của UAV Khi đạt đến đủ một số chu kì nhất định thì vết nứt do mỏi có thể được hình thành Khi kết cấu có vết nứt tế vi tiếp tục chịu tải trọng sẽ dẫn đến sự mở rộng và lan truyền vết nứt cho đến khi kết cấu bị phá hủy Số chu kì tải trọng được duy trì trước khi xuất hiện vết nứt được gọi là tuổi thọ mỏi (cycles to failure)

Những kết cấu của UAV rất khó để tính toán, dự đoán tuổi thọ mỏi vì chúng có các đặc điểm sau:

- Phải chịu dao động và sự cộng hưởng

- Hoạt động với các tải trọng thường ngẫu nhiên không theo quy luật xác định

- Vận hành liên tục trong suốt quá trình bay

Những yêu cầu về tuổi thọ mỏi là tiêu chí thiết yếu trong thiết kế các kết cấu của UAV

Tiêu đề	Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Và Kiểm Nghiệm Bền Của Máy Bay Nhỏ Trong Các Chế Độ Bay Có Sử Dụng Mô-Đun Vật Liệu Composite Đồng Nhất Đa Cấp Độ
Tác giả	Phạm Vũ Thịnh
Người hướng dẫn	TS. Lê Thị Tuyết Nhung
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	93
Dung lượng	15,09 MB